박철환 교수(화학공학과) 연구팀, “갈조류 기반 고효율 젖산 생산으로

지속가능한 바이오 가치사슬" 실현

- 세계적 학술지 Global Change Biology Bioenergy 게재 (JCR JIF Percentile 상위 4.4%)

- 발효 저해물질의 영향 규명 및 산 가수분해 전처리 전략 제시 -

- 친환경 해조류 바이오 전환 기술을 통한 산업적 활용 가능성 제시 -

모교 박철환 교수(화학공학과) 연구팀이 블루카본(해양생물이나 해양 생태계가 흡수하는 탄소)으로 주목받는 해조류 바이오매스(다시마, Saccharina japonica)를 고부가가치 바이오소재인 젖산(lactic acid)으로 전환하는 친환경 바이오리파이너리 공정을 개발하여 바이오 가치사슬 실현할 수 있는 계기를 제시하였다.

연구팀은 다시마의 희석 산 가수분해를 통해 발효성 당을 회수하고, 이를 미국 식약처(FDA)에서 가장 안전한 등급인 GRAS(generally recognized as safe) 등급을 획득한 유산균 Lacticaseibacillus rhamnosus의 탄소원으로 활용하여 지속가능한 젖산 생산 공정을 구축하였다. 특히 다시마 산 가수분해 공정에서 발생할 수 있는 저해물질이 L. rhamnosus의 발효 성능에 미치는 영향을 조사하였으며, 발효 저해물질 생성을 최소화할 수 있는 가수분해 조건(5% 황산)을 결정하였다. 본 연구는 해양 바이오매스의 자원화와 효율적인 유기산 생산 시스템을 결합한 공정 전략을 마련하였다.

해조류는 풍부한 탄수화물을 함유한 해양 유래 바이오매스로서, 바이오리파이너리 원료로 각광받고 있다. 특히 다시마는 만니톨 등 발효 가능 당을 다량 포함한 갈조류로, 젖산 생산에 적합한 탄소원으로 주목된다. 연구팀은 S. japonica 가수분해물에 존재하는 acetic acid, formic acid, furfural, 5-HMF 등 발효 저해물질의 영향을 정량적으로 분석하였고, 산의 종류와 농도에 따른 당 회수율과 저해물질 생성량을 체계적으로 비교함으로써 최적의 가수분해 조건을 도출하였다. 본 연구는 S. japonica 유래 저해 인자를 식별하고 L. rhamnosus에 대한 영향을 조사한 최초 연구이다.

실험 결과, S. japonica에 5% 황산을 적용한 가수분해 조건에서 23.23 g/L의 만니톨 회수와 함께 acetic acid 0.21 g/L, formic acid 0.14 g/L 수준의 저해물질 생성이라는 최적의 결과가 도출되었다. 이 조건에서 얻은 가수분해물을 탄소원으로 활용한 발효 공정에서는 18.26 g/L의 젖산이 생산, 대조군 대비 105.4%에 해당하는 높은 수율을 기록하였다. 이 성과는 갈조류 기반 바이오리파이너리 공정의 기술적 실현 가능성을 입증함과 동시에, 해양 바이오매스를 활용한 지속 가능한 생분해성 유기산 생산 기반 마련에 기여할 수 있는 중요한 결과로 평가된다. 

갈조류는 젖산과 같은 유기산 생산에 적합한 당 성분을 다량 함유하고 있으며, 젖산은 생분해성 고분자인 폴리젖산(PLA)의 원료로 활용되어 환경친화적 소재 산업에서 수요가 증가하고 있다. 식품, 화장품, 제약 등 다양한 분야에서의 활용 가능성도 크다. 그러나 해조류 가수분해 시 발생하는 발효 저해물질은 미생물의 생장과 대사에 영향을 주어 생산성을 저해해 왔다. 이번 연구는 해양 바이오매스를 활용한 젖산 생산의 기술적 가능성을 제시했을 뿐 아니라, 기존 리그노셀룰로오스 중심의 바이오매스 연구와 차별화된 갈조류 특화 공정 전략을 확립했다는 점에서 그 의미가 크다. 

연구의 주저자인 배지현 석사과정생은 본 연구의 실험 전략을 주도적으로 설계하고 수행하였으며, 한국생물공학회 학술발표대회 및 국제심포지엄에서 우수논문발표상을 수상한 경력과 본교에서 주최한 ‘제16회 공과대학 학술제’에서 우수상 (학장상)을 수상한 바 있다. 

지도교수인 박철환 교수는 현재까지 SCI(E) 논문 277편, 국내학술논문 57편, 특허등록 53건 및 학술발표 420건 등의 활발한 연구성과(총인용 11,450회, h-index 50, i10-index 214)를 쌓아오고 있으며, 광운대학교 창업패키지사업단장, 한국생물공학회 기획사업이사, 한국화학공학회 기술정보지 부편집장, 아시아생물공학연합체 한국지회 이사, 바이오 분야의 SCIE 저널 Editor 등의 대내외 활동도 활발히 수행 중에 있다.

본 연구는 해양수산부 해양수산과학기술진흥원(KIMST)과 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원(KEIT)의 지원을 받아 수행되었다. 그 성과는 국제 저명 학술지인 ‘Global Change Biology Bioenergy’에 2025년 5월호에 “Sustainable Bio-Value Chain Development: Algal Biomass Utilization Without Inhibitory Effects on Lactic Acid Production via Efficient Diluted Acid Hydrolysis of Brown Macroalga”의 제목으로 게재되었다. 해당 저널은 JCR(Journal Citation Reports) 기준 ‘Agronomy’ 분야에서 상위 4.4%에 해당하는 권위 있는 과학 저널로, 연구의 학술적 가치를 높이 평가받고 있다.

Web link : http://dx.doi.org/10.1111/gcbb.70038   

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)